Netty学习（一）-- Netty 底层 Java NIO

视频地址，建议观看，老师由浅入深，循序渐进： https://www.bilibili.com/video/BV1py4y1E7oA

前面的学习：https://blog.csdn.net/weixin_43989102/article/details/126078132

1、NIO

1.1、Selector

1）多线程版本

缺点： 内存占用高、线程上下文切换成本高、只适合连接数少的场景

2）线程池版本

缺点： 阻塞模式下，线程仅能处理一个 socket 连接、仅适合短连接场景。

3）Selector 版本

Selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 Channel 上发生的事件，获取这些 Channel 上发生的事件，这些 Channel 工作在非阻塞模式下，不会让线程吊死在一个 Channel 上。适合连接数特别多，但流量低的场景。

调用 selector 的 select() 会阻塞直到 Channel 发生了读写事件，这些事件发生，select() 会返回这些事件交给 thread 来处理。

1.2、Buffer

/**
 * @desc
 * @auth llp
 * @date 2022/8/1 10:37
 */
public class Test {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        System.out.println(ByteBuffer.allocate(8).getClass());
        System.out.println(ByteBuffer.allocateDirect(8).getClass());
        /**
         * class java.nio.HeapByteBuffer        - java 堆内存，读写效率较低，受 GC 的影响
         * class java.nio.DirectByteBuffer      - 直接内存，读写效率高（少拷贝一次），不受 GC 的影响。分配的效率低。
         */
        
        // 自动切换为 读模式
        ByteBuffer byteBuffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
        System.out.println("position==>" + byteBuffer.position());
        System.out.println("limit==>" + byteBuffer.limit());
        System.out.println("capacity==>" + byteBuffer.capacity());
        System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer));

        // warp 自动切换为 读模式
        ByteBuffer byteBuffer1 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
        System.out.println("position==>" + byteBuffer1.position());
        System.out.println("limit==>" + byteBuffer1.limit());
        System.out.println("capacity==>" + byteBuffer1.capacity());
        System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer1));
    }
}

黏包半包

compact() 方法：是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式

代码案例：

/**
 * @desc
 * @auth llp
 * @date 2022/8/1 11:36
 */
public class TestByteBuffer {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        /**
         * 网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔
         * 由于某种原因进行了重新组合，如原始数据：
         * 1、Hello,World. \n
         * 2、I'm mmianbao \n
         * 3、How are you? \n
         * 变成了下面的两个 buffer:
         * Hello,World. \nI'm mmianbao \nHo （黏包）
         * w are you? \n   （半包）
         */
        ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(64);
        source.put("Hello,World. \nI'm mianbao \nHo".getBytes());
        split(source);
        source.put("w are you? \n".getBytes());
        split(source);
    }

    private static void split(ByteBuffer source) {
    
    
        source.flip();
        for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
    
    
            if (source.get(i) == '\n'){
    
    
                int length = i + 1 - source.position();
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 从 source 读，写入 target
                for (int j = 0; j < length; j++) {
    
    
                    target.put(source.get());
                }
                System.out.println(new String(target.array()));
            }
        }
        source.compact();
    }
}

1.3、文件编程

1）FileChannel

FileChannel 只能工作在阻塞模式下

获取方式：

FileChannel.open(）方法获取。或者可以通过 FileInputStream、FileOutputStream、RandomAccessFile类来获取 FIleChannel，它们都有 getChannel() 方法。

• 通过 FileInputStream 获取的 Channel 只能读
• 通过 FileOutputStream 获取的 Channel 只能写
• 通过 RandomAccessFile 获取的是否能读写根据构造时的读写模式确认

transferTo() 和transferFrom() 只能传输大于 2G 的文件

/**
 * @desc
 * @auth llp
 * @date 2022/8/1 14:40
 */
public class ChannelTest {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        try(
            FileChannel fromChannel = FileChannel.open(Paths.get("G:\\Typora\\Netty\\test\\input.txt"), StandardOpenOption.READ);
            FileChannel toChannel = FileChannel.open(Paths.get("G:\\Typora\\Netty\\test\\output.txt"), StandardOpenOption.READ,
                        StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
        ){
    
    
            // 效率高，
            long size = fromChannel.size();
            // left 代表还剩多少字节
            for (long left=size; left>0; ){
    
    
                System.out.println("position: " + (size-left) + " left: " + left);
                left -= fromChannel.transferTo((size - left), left, toChannel);
            }
        } catch (IOException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2）Path 和 Paths

• Path 用来表示文件路径。
• Paths 是工具类，用来获取 Path 实例。

3）Files

检测文件是否存在

Path path = Paths.get("G:\\Typora\\Netty\\test\\input.txt");
System.out.println(Files.exists(path));

创建一级目录

Path path = Paths.get("helloworld/dir");
Files.createDirectory(path);

• 如果文件已经存在，会抛出 FileAlreadyExistsException 异常
• 不能一次性创建多级目录，否则会抛出 NoSuchFileException 异常

创建多级目录使用

Path path = Paths.get("helloworld/dir/d");
Files.createDirectorys(path);

拷贝文件

Path source = Paths.get("G:\\source.txt");
Path target = Paths.get("G:\\target.txt");

Files.copy(source, target);
Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);	// 覆盖

移动文件

Files.move(source, target)

删除文件和目录

Files.delete(source);	// 只能删除空目录

遍历删除文件和目录

private static void w1() throws IOException {
    
    
    AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
    AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
    AtomicInteger txtCount = new AtomicInteger();
    Files.walkFileTree(Paths.get("G:\\Typora\\Netty\\test"), new SimpleFileVisitor<Path>(){
    
    
        // 进入文件夹之前
        @Override
        public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
    
    
            System.out.println("dir ====> " + dir);
            dirCount.incrementAndGet();
            return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
        }
        // 遍历到文件时
        @Override
        public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
    
    
            System.out.println("file ====> " + file);
            fileCount.incrementAndGet();
            if (file.toString().endsWith(".txt")){
    
    
                txtCount.incrementAndGet();
            }
            // 删除文件
            Files.delete(file);
            return super.visitFile(file, attrs);
        }
        // 退出文件夹
        @Override
        public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
    
    
            System.out.println("<=== 退出");
            // 删除目录
            Files.delete(dir);
            return super.postVisitDirectory(dir, exc);
        }
    });
    System.out.println("dir count: " + dirCount);
    System.out.println("file count: " + fileCount);
    System.out.println("txt file count: " + txtCount);
}

拷贝多级目录

public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
    String source = "G:\\Typora\\Netty\\test";
    String target = "G:\\Typora\\Netty\\testcopy";

    Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {
    
    
        try {
    
    
            String targetName = path.toString().replace(source, target);
            // 是目录
            if (Files.isDirectory(path)){
    
    
                Files.createDirectory(Paths.get(targetName));
            }
            // 是普通文件
            else if (Files.isRegularFile(path)){
    
    
                Files.copy(path, Paths.get(targetName));
            }
        } catch (IOException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    });
}

1.4、网络编程

1）阻塞模式

ssc.accept(); 和 channel.read(byteBuffer); 都会导致线程暂停。阻塞的表现就是线程暂停了，暂停期间不会占用 CPU，但线程相当于闲置。

public class Server {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        // 使用 NIO 来理解阻塞模式
        // 缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 1、创建服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        // 2、绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8888));
        // 3、建立连接集合
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true){
    
    
            // 4、accept 建立与客户端的连接， SocketChannel用来与客户端通信
            System.out.println("connecting...");
            SocketChannel sc = ssc.accept();        // 阻塞方法，线程停止运行了（直到有客户端连接）
            System.out.println("connectted..." + sc);
            channels.add(sc);
            for (SocketChannel channel : channels) {
    
    
                // 5、接收客户端发送的数据
                System.out.println("before read..." + channel);
                channel.read(byteBuffer);          // 阻塞方法，线程停止运行了（直到客户端发送数据）
                byteBuffer.flip();
                System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, byteBuffer.limit()));
                byteBuffer.clear();
                System.out.println("after read..." + channel);
            }
        }
    }
}

public class Client {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
        System.out.println("waiting...");		// sc.write(Charset.defaultCharset().encode("he"));
        while (true){
    
    }
    }
}

2）非阻塞模式

• ssc.accept(); 会返回 null 继续运行
• channel.read(byteBuffer); 会返回 0 。但线程不必阻塞，可以去执行其他 SocketChannel的 read 或者 ServerSocketChannel 的 accept。
• 非阻塞模式下，即时没有建立连接和可读数据，线程仍然在不断的运行，白白浪费了CPU。
• 数据复制的过程中，线程实际还是阻塞的（AIO 实现改进）

/**
 * @desc
 * @auth llp
 * @date 2022/8/1 15:54
 */
public class Server {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        // 缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 1、创建服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        // 非阻塞模式
        ssc.configureBlocking(false);
        // 2、绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8888));
        // 3、建立连接集合
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true){
    
    
            // 4、accept 建立与客户端的连接， SocketChannel用来与客户端通信
            // 非阻塞，线程还会继续运行，没有建立连接方法返回 null
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            if(sc != null){
    
    
                System.out.println("connectted..." + sc);
                channels.add(sc);
            }
            for (SocketChannel channel : channels) {
    
    
                // 5、接收客户端发送的数据
                // 非阻塞，线程还会继续运行，如果没有读到数据，read 返回 0
                int read = channel.read(byteBuffer);
                if (read > 0){
    
    
                    byteBuffer.flip();
                    System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, byteBuffer.limit()));
                    byteBuffer.clear();
                    System.out.println("after read..." + channel);
                }
            }
        }
    }
}

这种方式一直运行，一直占用内存资源，我们想当有 accept 请求事件发生时才去运行代码。

3）多路复用

单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控，这称为多路复用。

• 多路复用仅针对网络 IO ，普通文件 IO 没办法利用多路复用。
• 如果不用 selector 的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而 selector 能够保证
  • 有可连接事件时才去连接
  • 有可读事件时才去读取
  • 有可写事件时才去写入
    • 限于网络传输能力，Channel 未必时时可写，一旦 Channel 可写，会触发 selector 的可写事件

绑定的事件	描述
OP_ACCEPT	会在有连接请求时触发
OP_CONNECT	是客户端，连接建立后触发
OP_READ	可读事件
OP_WRITE	可写事件

selector 让非阻塞变成 ==> 无事件阻塞（select()方法），有事件非阻塞。

监听 Channel 事件：

// 阻塞直到绑定时间发生
int count = selector.select();
// 阻塞直到绑定时间发生,或者超时（单位 ms）
int count = selector.select(long timeout);
// 不会阻塞，也就是不管事件有没有发生，立刻返回，自己再根据返回值检查是否有事件发生
int count = selector.selectNow();

select() 何时不阻塞：

• 事件发生时
  • 客户端发起连接请求，会触发 accept 事件
  • 客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发 read 事件（如果发送的数据大于 buffer 缓冲区，会触发多次读取事件）
  • Channel 可写，会触发 write 事件
  • 在 Linux 下 NIO bug 发生时
• 调用 selector.wakeup()
• 调用 selector.close()
• selector 所在的线程 interrupt（打断）

代码案例：

/**
 * @auth llp
 * @date 2022/8/1 15:54
 */
public class Server {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        // 1、创建 selector，管理多个 Channel
        Selector selector = Selector.open();
        
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8888));

        // 2、创立 selector 和 Channel 的联系（注册）
        // SelectionKey 将来发生事件后，通过它可以知道事件和哪个Channel的事件
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        // key 只关注 accept 事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("register Key: " + sscKey);

        while (true){
    
    
            // 3、select() 方法。 没有事件发生 select()是阻塞的。
            // 在事件未处理时，它不会阻塞。 在事件发生后要么处理要么取消key.cancel();
            selector.select();
            // 4、处理事件, 所有发生事件集合
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()){
    
    
                // 只有 ServerSocketChannel 一个
                SelectionKey key = it.next();
                System.out.println("Key: " + key);
                // 5、区分事件类型
                if (key.isAcceptable()){
    
    
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    // sc 是新的 Channel
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("sc: " + sc);
                }else if (key.isReadable()){
    
    
                    try {
    
    
                        // 拿到触发事件的 Channel
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        // 如果是正常断开(客户端调用 sc.close() 方法)。 read 返回值是 -1。
                        int read = channel.read(byteBuffer);
                        if (read == -1){
    
    
                            key.cancel();
                        }else {
    
    
                            byteBuffer.flip();
                            System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, byteBuffer.limit()));
                            byteBuffer.clear();
                        }
                    } catch (IOException e) {
    
    
                        e.printStackTrace();
                        // 事件要么处理要么取消
                        // 因为客户端断开的（异常断开，客户端点击停止程序），因此需要 key 取消（从 selector 的 Keys 集合中真正删除 key）
                        key.cancel();
                    }
                }
                it.remove();
            }
        }
    }
}

4）处理 accept 事件

5）处理 read 事件

1、处理消息边界

• 一种思路是固定消息长度，数据包的大小一样，服务器按预定长度读取，缺点是浪费带宽。
• 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低。
• TLV 格式，即 Type 类型、Length长度、Value数据，类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配合适的 Buffer，缺点是 Buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 Server 的吞吐量。
  • HTTP 1.1 是 TLV 格式
  • HTTP 2.0 是 LTV 格式

按分隔符拆分：

测试

服务端

                        .......
						// 容量超出。当消息超过缓冲区大小时，触发两次读事件，导致消息不全。
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
                        // 如果是正常断开(客户端调用 sc.close() 方法)。 read 返回值是 -1。
                        int read = channel.read(byteBuffer);
                        if (read == -1){
    
    
                            key.cancel();
                        }else {
    
    
                            split(byteBuffer);
                        }
						.......
                            
    private static void split(ByteBuffer source) {
    
    
        source.flip();
        for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
    
    
            if (source.get(i) == '\n'){
    
    
                int length = i + 1 - source.position();
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 从 source 读，写入 target
                for (int j = 0; j < length; j++) {
    
    
                    target.put(source.get());
                }
                System.out.println(new String(target.array()));
            }
        }
        source.compact();
    }

客户端：

public class Client {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
        // 发送比缓存区小的
        // sc.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello\nWorld\n"));
        // 发送比缓冲区大的
        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdef3333\n"));
        System.out.println("waiting...");
        while (true){
    
    }
    }
}

容量超出问题：

附件与扩容：

                    .......
					// 使用 attachment
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
                    // 将 bytebuffer 作为附件关联到 SelectionKey
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, byteBuffer);
					.......
                        .....
					    // 获取 SelectionKey 上关联的附件 attachment key.attach()：关联新的附件
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        // 如果是正常断开(客户端调用 sc.close() 方法)。 read 返回值是 -1。
                        int read = channel.read(buffer);
                        if (read == -1){
    
    
                            key.cancel();
                        }else {
    
    
                            split(buffer);
                            // 扩容
                            if (buffer.position() == buffer.limit()){
    
    
                                ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);
                                buffer.flip();
                                newBuffer.put(buffer);  // 01234567890abcde
                                // 替换关联的附件
                                key.attach(newBuffer);
                            }
                        }
						.....
          
// compact() 源码
    public ByteBuffer compact() {
    
    
        System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
        position(remaining());	// limit - position 第一次循环 limit=16 position=0
        limit(capacity());
        discardMark();
        return this;
    }

2、ByteBuffer 大小分配

• 每个 Channel 都需要记录可能被切分的消息，因为 ByteBuffer 不是线程安全的；ByteBuffer 不能被多个 Channel 共享，否则数据混乱，因此需要为每个 Channel 维护一个独立的 ByteBuffer。
• ByteBuffer 不能太大，比如一个 ByteBuffer 1Mb 的话，需要支持百万连接就需要 1Tb 内存，因此需要设计大小可变的 ByteBuffer。
  • 一种思路是首先分配一个比较小的 buffer，例如 4k，如果数据不够，再分配 8k 的 buffer，将 4k buffer 的内容拷贝至 8k 的 buffer。优点是消息连续容易处理，缺点是拷贝数据耗费性能。
  • 一种思路是用多个数组组成 buffer，一个数组不够，把多出来的内容写入新的数组，与前面的区别就是消息存储不连续解析复杂，有点是避免了拷贝引起的性能消耗。

6）处理 write 事件

写入内容过多的问题

测试

服务端：

public class WriteServer {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8888));

        Selector selector = Selector.open();
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true){
    
    
            selector.select();
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()){
    
    
                SelectionKey key = it.next();
                it.remove();
                if (key.isAcceptable()){
    
    
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    // 1、向客户端发送大量数据
                    StringBuilder sb = new StringBuilder();
                    for (int i = 0; i < 30_000_000; i++) {
    
    
                        sb.append("a");
                    }
                    ByteBuffer byteBuffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());
                    while (byteBuffer.hasRemaining()){
    
    
                        // 2、返回值 代表实际写入的字节数
                        int write = sc.write(byteBuffer);
                        System.out.println("write ==> " + write);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

客户端：

public class WriteClient {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8888));
        // 3、接收数据
        int count = 0;
        while (true){
    
    
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
            count += sc.read(byteBuffer);
            System.out.println("count ==> " + count);
            byteBuffer.clear();
        }
    }
}

改进

先写一次，看 buffer 是否有剩余的，再关注可写事件。等 Channel 可写时，此时程序会再次进入 select() 部分。

服务端：

public class WriteServer {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8888));

        Selector selector = Selector.open();
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true){
    
    
            selector.select();
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()){
    
    
                SelectionKey key = it.next();
                it.remove();
                if (key.isAcceptable()){
    
    
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
                    // 原来可能关注了读事件
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    // 1、向客户端发送大量数据
                    StringBuilder sb = new StringBuilder();
                    for (int i = 0; i < 5_000_000; i++) {
    
    
                        sb.append("a");
                    }
                    ByteBuffer byteBuffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());

                    // 2、返回值 代表实际写入的字节数
                    int write = sc.write(byteBuffer);
                    System.out.println("write ==> " + write);

                    // 3、判断是否有剩余内容
                    if (byteBuffer.hasRemaining()){
    
    
                        // 4、关注可写事件 channel 可以写入就会触发
                        // scKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); 会将原来关注的事件覆盖掉
                        scKey.interestOps(scKey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
                        // scKey.interestOps(scKey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
                        // 5、把未写完的数据挂到  scKey 上
                        scKey.attach(byteBuffer);
                    }
                }
                // 可写事件
                else if (key.isWritable()){
    
    
                    // 如果还是写不完下次还是会进到此处，因为我们已经关注了可写事件
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                    int write = sc.write(buffer);
                    System.out.println("Writable ==> " + write);
                    // 6、清理操作
                    if (!buffer.hasRemaining()){
    
    
                        // 清理 buffer
                        key.attach(null);
                        // 写完了，不需要关注可写事件了
                        key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

客户端不变。

运行结果：

7）更进一步

1、利用多线程优化

现在都是多核CPU，设计时要考虑不让 CPU 浪费

前面的部分只有一个选择器，没有充分利用 CPU，如何改进？

分两组选择器：

• 单线程配一个选择器，专门处理 accept 事件
• 创建 CPU 核心数的线程，每个线程配一个选择器，轮流处理 read 事件

服务端代码：

/**
 * @desc
 * @auth llp
 * @date 2022/8/2 16:04
 */
public class MultiThreadServer {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        Thread.currentThread().setName("Boss");
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        Selector boss = Selector.open();
        SelectionKey bossKey = ssc.register(boss, 0, null);
        bossKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8888));
        // 1、创建固定数量的 worker
        Worker worker01 = new Worker("Worker01");
        // 初始化 selector 和 启动 worker01 线程
        // （1）顺序必须满足 1.selector.open() 2.sc.register() 3.thread.start()
        // worker01.register(); 挪到 sc.register(worker01.selector, SelectionKey.OP_READ, null); 前
        while (true){
    
    
            boss.select();
            Iterator<SelectionKey> it = boss.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()){
    
    
                SelectionKey key = it.next();
                it.remove();
                if (key.isAcceptable()){
    
    
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    System.out.println("connected...." + sc.getRemoteAddress());
                    // 2、关联 selector
                    System.out.println("before register...." + sc.getRemoteAddress());
                    // （2）在此处只是碰巧 selector.open() 后注册的，但再连接一个 worker 就还是卡在 before register 这
                    // worker01.register();
                    // (3) 思考，能不能让 register() 在 Worker 线程上跑
                    worker01.register(sc);
                    // 在 boss 线程执行
                    // sc.register(worker01.selector, SelectionKey.OP_READ, null);
                    System.out.println("after register...." + sc.getRemoteAddress());
                }
            }
        }
    }

    // 监测读写事件
    static class Worker implements Runnable{
    
    
        private Thread thread;
        private Selector selector;
        private String name;
        private volatile boolean start = false;  // 还未初始化
        // (3)
        private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        public Worker(String name) {
    
    
            this.name = name;
        }

        // 初始化线程 和 selector
        public void register(SocketChannel sc) throws IOException {
    
    
            if (!start){
    
    
                selector = Selector.open();
                thread = new Thread(this, name);
                thread.start();
                start = true;
            }
            // (3) 在此处，还是被调用的，还是在 BOSS 线程执行。
            // sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
            // 向对列添加了任务，但并没有执行
            queue.add(()->{
    
    
                try {
    
    
                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
                } catch (ClosedChannelException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            // （4）唤醒 select() 方法  是在 boss 线程执行
            selector.wakeup();
        }

        @Override
        public void run(){
    
    
            while (true){
    
    
                try {
    
    
                    // 在 worker01 线程执行
                    selector.select();  // 阻塞
                    // (3) 取出任务执行
                    Runnable task = queue.poll();
                    if (task != null){
    
    
                        // 执行了 sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null); 此时是在 worker01 线程执行
                        task.run();
                    }
                    Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (it.hasNext()){
    
    
                        SelectionKey key = it.next();
                        it.remove();
                        if (key.isReadable()){
    
    
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                            channel.read(buffer);
                            buffer.flip();
                            System.out.println(name + " read..." + channel.getRemoteAddress());
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()));
                        }else if (key.isWritable()){
    
    

                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

客户端代码：

public class MultiThreadClient {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdef3333\n"));
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNextLine()){
    
    
            String msg = scanner.nextLine();
            sc.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        }
    }
}

其他解决办法：

// 初始化线程 和 selector
public void register(SocketChannel sc) throws IOException {
    
    
    if (!start){
    
    
        selector = Selector.open();
        thread = new Thread(this, name);
        thread.start();
        start = true;
    }
    // Worker 线程启动执行 selector.select() 往下 boss 线程唤醒 select()方法 再执行注册
    selector.wakeup();	
    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
    // selector.select() selector.wakeup() 执行先后顺序都不影响 唤醒 select()
}

多 Worker：

如何拿到 CPU 个数

• Runtime.getRuntime().availableProcessors() 如果工作在 Docker 容器下，因为容器不是物理隔离的，会拿到物理 CPU 个数，而不是容器申请的个数
• 这个问题直到 JDK10 才修复，使用 JVM 参数 UseContainerSupport 配置，默认开启

        .....
		// 多worker
        Worker[] workers = new Worker[Runtime.getRuntime().availableProcessors()];
        for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
    
    
            workers[i] = new Worker("worker0" + (i+1));
        }
		....
            
            //  轮询
            workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc);
		....

2、NIO vs BIO

2.1、Stream vs Channel

• Stream 不会自动缓冲数据。Channel 会利用系统提供的发送数据缓冲区，接收数据缓冲区（更为底层）。
• Stream 仅支持阻塞 API。Channel 同时支持阻塞、非阻塞 API ，网络 Channel 可配合 selector 实现多路复用。
• 两者均为全双工，即读写可以同时进行。

2.2、IO 模型

同步阻塞、同步非阻塞、多路复用、异步阻塞、异步非阻塞。

当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段：等待数据阶段、复制数据阶段

五种 IO 模型

参考书籍 《UNIX 网络编程 - 卷1》

1）阻塞 IO

2）非阻塞 IO

3）多路复用

阻塞 IO 和 多路复用：

4）信号驱动

不常用。

5）异步 IO

异步阻塞（没有此情况）、异步非阻塞。

• 同步：线程自己去获取结果（一个线程）
• 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程送结果（至少两个线程）

2.3、零拷贝

传统 IO 问题

传统 IO 将一个文件通过 Socket 写出

File f = new File("helloworld/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(f, "r");

byte[] buf = new byte[(int) f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);

内部的工作情况：

1、Java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据写入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 CPU。

DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 CPU 完成文件 IO

2、从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 CPU 会参与拷贝，无法利用 DMA。

3、调用 write 方法，这时数据从用户缓冲区（即 byte[] buf）写入 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝。

4、接下来要想网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU。

NIO 优化

通过 DirectByteBuffer

• ByteBuffer.allocate(10)			HeapByteBuffer 使用的 Java的内存
  

• ByteBuffer.allocateDirect(10)	DirectByteBuffer 使用的 操作系统的内存
  

Java 使用 DirectByteBuffer 将堆外内存映射到 JVM 内存中来直接访问使用。

• 这块内存不受 JVM 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写。
• Java 中的 DirectByteBuffer 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分为两步
  • DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
  • 通过专门的线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化

Linux 2.1 后提供的 sendFile 方法

java 中对应两个 Channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

1、Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA 将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU。

2、数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝

3、最后使用 DMA 将 socket缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

只发生了一次用户态和内核态的切换，数据拷贝3次

---

Linux 2.4

1、Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA 将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU。

2、只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗。

3、使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

只发生了一次用户态和内核态的切换，数据拷贝2次

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零拷贝：不会拷贝重复的数据到 JVM 内存中（适合小文件传输）

2.4、AIO

AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题

• 同步意味着：在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
• 异步意味着：在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持

• Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
• Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势

Linux 支持异步 IO 的新 API io_uring

文件 AIO

public class AioTest {
    
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
    
        try {
    
    
            AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("G:\\IDEAWorkHome\\test\\data.txt"), StandardOpenOption.READ);
            // 参数1: byteBuffer 参数2: 读取的起始位置 参数3: 附件 参数4: 回调函数
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            System.out.println("read beginning..." + Thread.currentThread().getName());
            // 守护线程。如果主线程结束了，这个读取的线程也结束了
            channel.read(byteBuffer, 0, byteBuffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
    
    
                @Override   // read 成功 result：读到的实际字节数 attachment：参数3，读取是存在参数1，但传进来是同一个对象，两者一样
                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
    
    
                    System.out.println("read completed..." + Thread.currentThread().getName());
                    attachment.flip();
                    System.out.println(new String(attachment.array(), 0, attachment.limit()));
                }

                @Override   // read 成功
                public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
    
    
                    exc.printStackTrace();
                }
            });
        } catch (IOException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("read end..." + Thread.currentThread().getName());
        // 等读取的守护线程结束再结束主线程
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    }
}

网络 AIO